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      中國城市生活污水脫氮技術的未來判斷

      時間:2019-07-29 10:28

      來源:JIEI創新實驗室

      作者:李瑞玲

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      北京、昆明、巢湖、太湖等重點區域及流域作為環保的推動者,對污水處理提出了越來越高的要求。TN排放標準從20mg/L(一級B)、15 mg/L(一級A),提升為10mg/L,甚至5mg/L(昆明A標),逐漸向極限脫氮邁進。然而,在當前提標改造的脫氮技術路線中,一些脫氮工藝存在通過碳源增加帶來藥劑成本的大幅提高,以及場地的增加、復雜的運營維護等諸多問題,尚不具備技術、管理與資本的可持續發展。

      以污水脫氮為話題,極限脫氮是否是中國污水處理的未來趨勢?中國特有的污水特征下,如何實現高排放標準下污水脫氮的高效、穩定運行?以國際經驗看我國脫氮技術的未來方向又是什么?我們希望通過對歷史、現在、未來的探討及思考,厘清脫氮技術未來的技術路線,促進行業創新及環保事業的健康發展。

      我國水體受到氮污染了嗎?

      區別于自然生物固定氮,化學合成氮、化石燃料燃燒而釋放的氮氧化物,以及由于水稻擴種而增加的生物固氮量等,被稱為“人為活化氮”或“活性氮”。清華大學綠色經濟與可持續發展研究中心研究發現,1910-2010年的100年間,我國年均活性氮的凈產生量增加了6倍多,到2010年其貢獻達到了80%以上。人為活化氮的數量成倍于自然生物固定氮量顯著地改變了區域氮循環,給生態環境帶來更大的壓力。溫室效應、霾、酸雨都與人類活動干擾下氮循環的改變有關。

      那么我國的水體受到氮污染了么?

      2019年2月,清華大學的喻朝慶博士及其同事在《自然》上發表了一篇論文“Managing nitrogen to restore water quality in China”。作者報告說,中國因人為原因造成的氮排入淡水的速度為1450萬t/a,約為安全排放閾值估值(520萬t/a)的2.7倍。在20世紀80年代之前,水體氮濃度低于1mg/L,但在20世紀90年代后,許多集水區的氮濃度迅速上升至15mg/L以上。這項研究發現,除西藏區域外,我國各省均有流域污染問題,且95%的水域在2000年以前已受到污染,至今污染物積累已超20年。而京杭大運河在1980年、巢湖在1985年、滇池在1981年均已開始出現氮污染,氮累積近40年。

      中國正在由“低碳社會”邁入“低氮社會”

      “低碳社會(low-carbon society)”的理念已經深入人心,但如上文介紹,人類活動顯著干擾氮循環后可能產生更為嚴重的不利影響,卻一直沒有引起社會各界的重視。面對我國及世界活性氮產生量逐年遞增的現狀,建設“低氮社會”成為控制環境污染、維護生態系統健康的必然舉措。

      2016年,清華大學綠色經濟與可持續發展研究中心提出了“加快構建低氮社會,保障生態系統健康”的主張。2018年,在中荷生態環境技術國際高峰論壇上,清華大學環境學院王凱軍教授也講到人們對于氮磷問題仍沒有更充分的認識,重點提出了從“低碳社會”到“低氮社會”的發展理念。

      如何實現“低氮”?可理解為更少的活性氮排放,減輕氮素帶來的環境影響。一方面,要從源頭控制氮污染,加大對氮污染物的管理和調控力度;另一方面,要在氮素的輸移和轉化過程中實施協同控制。王凱軍教授也提出,“氮的節能減排的潛力很大。可以在任何可能的領域、可能的尺度,就地追求盡大可能‘水與物質的閉環’”。

      市政污水廠在氮排放中扮演什么角色?

      喻朝慶博士的研究,將水體中總氮濃度的觀測數據與來自農業和其他來源的模擬氮排放數據相結合,估算了1955年至2014年間中國的氮排放模式。從污染源來看,農業及生活污染物是水體中氮的主要污染源。其中,農業污染占當前氮排放總量的59%(農田35%,牲畜24%),生活污染占39%(城市污水13%,農村污水8%,有機垃圾18%),工業垃圾占2%。

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      截至2018年12月,我國已運行5370座生活污水處理廠,處理能力可達2億m3/d。如果將污水處理廠出水TN濃度由15mg/L降為5mg/L,可減少5%-10%水體氮排放量。隨著我國污水管網的建設、納管及維護的完善,市政污水廠將對水體氮的減排發揮越來越重要的作用。

      污水極限脫氮在經濟上是否可行?

      曲久輝院士、彭永臻院士、王凱軍教授、王洪臣教授等多位專家學者曾指出,對于湖泊等敏感水體,應因地制宜,制定更加嚴格的地方排放標準,逐步將污水處理標準與地表水水質等級接軌。污水廠不斷提高排放標準,一定是中國污水處理行業的永恒主題。當前昆明已經施行污水廠TN<5mg/L的極限脫氮排放標準,未來也將有越來越多的水敏感地區或流域向極限脫氮邁進。

      極限脫氮經濟上是否可行?重新審視和觀察發達國家水環境治理的歷程及國家政策,或許能為我們提供參考。在本期期刊的“美國水環境治理漫談”一文中,作者詳細闡述了美國執行TN<3m/L、TP<0.1mg/L排放標準的佛羅里達州的水環境治理思路及投資。從美國的經驗來看,做到加強型營養物去除(ENR)和極限營養物去除(LOT)其投資及運行費用均增長有限,部分污水廠甚至出現了運行費用節省,可以說性價比合理。

      中國污水特征下的運行現狀及對策

      碳管理是污水處理的根本難題

      1914年Arden和Lockett發明活性污泥法,1964年英國水污染中心Downing建立起硝化理論的基本法則,20世紀70年代,“生物脫氮除磷之父”James Barnard創造出經典的Bardenpho污水處理脫氮工藝,自此以后污水處理以生物法為基石,得到不斷的延伸和發展。原新加坡公用事業局(PUB)首席專家曹業始先生曾在JIEI舉辦的污水脫氮技術沙龍上講到,脫氮除磷都需要碳,如何實現碳合理的管理與分配,是污水處理的根本難題。以生物法去除一個N需要6個COD,去除一個P需要7-10個COD,而這些 COD均是可降解的COD。結合污水的特征及微生物的特性,通過工藝做碳管理最大程度的去除污水中的氮、磷等營養物,是一個系統的工程,也是污水處理的根本難題。

      “帶病”污水廠低效運行普遍存在

      編輯:趙凡

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